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第 36 卷 第 2 期 2023 年 4 月
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叶新丰1, 2，陈 博3 ，郭 鑫3 ，梁海英1, 2，俞 响4
摘要:地铁车站附属工程高程爬升段受施工工期、地面空间不足、既有接驳等条件制约需采用仰挖法施工。通过数据统计分析仰挖施工沉降规律及影响因素，并通过实际案例进行仰挖与俯挖实测分析和数值分析对比研究探索沉降规律。研究表明：①拱部为砂性土时，87.3%的测点沉降量在3～60mm之间，拱部为黏性土时，59.2%的测点沉降量在3～30mm，拱部为卵石层时，测点分布离散；②关于沉降槽宽度，黏性土≈砂性土＞卵石，黏性土与砂性土沉降槽宽度约为出入口或通道宽度的3倍，卵石沉降槽宽度与出入口或通道宽度相近；③仰挖施工最大沉降量比俯挖施工多大约75%，仰挖施工最大沉降发生于爬坡段约1/2处，而俯挖施工最大沉降更接近于埋深最小处。研究结论可用于初步判断仰挖施工沉降量范围、沉降控制最不利部位。
关键词:轨道交通；隧道；仰挖施工；俯挖施工；地表沉降；数值分析中图分类号:U231文献标志码:A文章编号:1672-6073(2023)02-0167-07
地铁附属工程在北京城市核心区修建时，因周边环境复杂多采用暗挖法。车站出入口及换乘通道标高变化较大，一般采用明挖法施工风险更小，暗挖法施工中俯挖施工风险相对较小，但部分出入口和换乘通道爬升段受施工工期、地面空间不足、既有接驳(换乘通道施工既有结构一侧不具备出土条件)等条件制约不具备俯挖条件时，采用仰挖法施工。仰挖法施工具有浅埋、地质条件变化大、开挖面稳定性差、施工仰角大、存在较大安全隐患、应急抢险难度大等特点，施工风险高。
我国地铁附属工程采用仰挖施工的相关研究较少，徐凌等[1]以北京地铁7号线暗挖车站10处仰挖附属工程为依托，在对比分析地铁车站附属工程各类施工方法优缺点的基础上，主要研究了仰挖施工的技术及管理措施，对地表沉降规律做了简要分析；赵智涛等[2]通过理论分析并结合数值模拟，对比分析了爬坡开挖与水平开挖下掌子面的稳定性；崔海涛等[3]从施工技术、机具、管理、文明施工和风险管理等多方面进行分析，总结形成了一整套的俯挖施工工艺控制要点；高瑞军[4]提出了采用WSS(无收缩双液注浆)工法对挖拱墙进行深孔注浆的方法，取得良好效果。王霆、罗富荣等[5-6]对暗挖车站进行了沉降统计分析。
本文选取北京地区采取仰挖施工的所有地铁附属工程，统计了已完成的出入口或换乘通道共计58处，其中出入口44处，换乘通道14处。对其地域分布情况进行统计，发现仰挖施工88%分布于四环路以内的主城区，其中东南部更为密集，穿越地层以砂性土、黏性土为主。
笔者通过数据统计分析仰挖施工沉降规律及影响因素，并通过实际案例进行仰挖与俯挖实测分析和数值分析，以对比研究探索北京仰挖施工的沉降规律。
统计仰挖施工各部位仰挖角度、导洞个数、初支格栅厚度、地下水分布、最小埋深、拱部穿越地层、超前加固方式、加固范围等，见表1。分析可得北京地铁附属仰挖施工仰挖角度一般为26°～30°，因为施工风险大，所以设计以6导洞为主，初支厚度300mm居多，主城区地下水位相对较低，70%为无水施工。因为工程主要分布于城区四环路内且东南方向密集，根据北京市地质特点，该区域西北部以砂性土为主、东南部以黏性土为主，分别占比为50%和43%。施工超前加固方式均采用深孔注浆，其中57%采用全断面形式，注浆范围95%在2m以内。
以仰挖段最浅埋深统计，因均采用CRD(交叉中隔壁)法施工，单个导洞宽度不超过5m，以埋深5、8m分别划分为超浅埋、浅埋与深埋，按照不同埋深进行统计，仰挖施工工点74%为浅埋或超浅埋，超浅埋占比50%。因此施工中可利用的地层自稳能力少，对超前加固效果要求更高。
仰挖施工断面尺寸与仰挖长度分布统计结果见图1。根据表1和图1的统计结果，分析可得现有仰挖工程断面尺寸比较统一，在车站埋深较为一致的条件下，其仰挖长度也大致统一。
分别统计拱部不同性质土层的仰挖施工地表沉降范围，见图2。黏性土59.2%的测点沉降量介于3～30mm之间，平均沉降量为25.7mm；砂性土87.3%的测点沉降量集中在3～60mm之间，平均沉降量为20.6mm；卵石92.9%的测点沉降量小于30mm，部分测点隆起，平均沉降量为11.0mm。
受加固效果影响，拱部为黏性土时沉降分布相对分散，每个数据统计组内均有测点出现；拱部为砂性土时沉降分布更为集中，87.3%的测点沉降在3～60mm之间，虽然小于正态分布±2σ(95.4%)的范围，但在实际运用中已经足够可信；拱部为卵石层时各个区间均有相应测点，较为离散，但总体沉降量较小且无超过45mm的情况。
分别统计拱部不同性质土层的仰挖施工地表沉降量与埋深的关系并进行线性曲线拟合分析，见图3。覆土为黏性土层时，随着埋深的减小，沉降量增幅逐渐变缓，且沉降分布范围较大；覆土为砂性土层时，埋深超过2倍导洞宽度的深埋情况，随着埋深减小，沉降量增幅明显，埋深小于2倍导洞宽度的浅埋或超浅埋情况，随着埋深的减小，沉降量增幅较小；覆土为卵石时，埋深与沉降量呈正比例线性关系，随着埋深减小，沉降量也减小，但减幅不大，分析原因为浅覆土卵石层扩散性好，注浆加固效果好。浅层黏性土的变形量一般高于深层土体，通常随着深度的增加，土体的可压缩性降低。
综上分析可得，北京地区浅层覆土为黏性土时，超前加固效果不易保证，更多的需要依靠土层自稳及蠕变实现稳定，沉降发展周期长，总沉降量分布范围大；覆土为砂性土埋深大时密实性更好，超前加固效果难保证，沉降随埋深变化较大，埋深较小的浅埋或超浅埋地层松散、加固效果好，有利于沉降控制；覆土为卵石的地层，由于卵石层深孔注浆利于浆液扩散，加固效果易于保证，沉降控制难度较小，总体沉降量较小且与埋深成正比例趋势。
在正常注浆施工条件下，分别统计分析不同性质土层变形沉降槽分布情况，对沉降槽进行peck公式拟合，见图4。北京市一般对注浆加固要求在初支轮廓线内0.5m、外1.5m范围内进行，且要求强度不低于0.8MPa。关于沉降槽宽度，黏性土≈砂性土＞卵石，黏性土与砂性土沉降槽宽度约为出入口或通道宽度的3倍，卵石沉降槽宽度与出入口或通道宽度相近。黏性土在2倍洞宽范围内沉降明显，砂性土的沉降槽分布更为平缓。
北京地铁某换乘车站改造工程地处市中心，需增加换乘通道以满足日益增大的客流换乘需求，换乘通道周边环境复杂，地下管线多、场地狭小，不具备明挖施工条件，故分别在2个象限采用仰挖法与俯挖法施工换乘通道爬升段。因为2个换乘通道地质条件相似，选取其中一个换乘通道分别进行仰挖、俯挖施工数值分析，结合实测数据对比仰挖与俯挖施工地表沉降量及分布情况。
该换乘通道爬升段采用交叉中隔壁(CRD)法施工，采用全断面深孔注浆超前加固，最小埋深不足3m，施工不受地下水影响，相关参数见表2。通道施工穿越地层主要为粉质黏土、中粗砂、粉细砂、黏质粉土及杂填土，地层总体为稍密及密实、稍湿及湿状态，稳定性尚可，地层岩性特征见表3。
矿山法导洞在施工存在高差的工况时，俯挖和仰挖是工程人员必须考虑的选项，车站前期开挖完成后，有利于提供仰挖作业面，因此仰挖施工更节省工期[1]，但是会增加一定风险。为了更加全面研究仰挖施工上方土体变形规律，本文采用迈达斯GTS数值分析软件，对该换乘车站改造工程换乘通道进行仰挖及俯挖施工模拟[7-12]，模型见图5。其中土体参照表2分为粉土填土、粉细砂、中粗砂、粉质黏土，层厚与实际匹配。采用壳单元模拟初支结构，初支及二衬施工参数参考表1内容设置，采用2m开挖步距，施工步序与实际相符，即按照左上导洞→右上导洞→左下导洞→右下导洞的顺序进行开挖，二衬施工阶段初支拆除长度为6～8m。结合实际施工条件，对掌子面土体进行模拟注浆体强度增强。俯挖施工数值分析则采用相同模型条件，改变施工方向，对比分析仰挖与俯挖施工引起的地表变形规律差异。
假设土体为摩尔库伦模型，结构为弹性模型，考虑自重及边界约束后进行计算分析。图6为二衬完成后竖向变形云图，自临时中隔墙处做纵剖面绘制沉降量线上图。从图中可以看出，当仰挖施工时爬升段最大沉降位于爬坡段中部，最大沉降为22.3mm，相比超浅埋平挖段沉降更大；当俯挖施工时爬升段最大沉降位于爬坡段靠近埋深最浅处，最大沉降为12.6mm，平挖超浅埋段最大沉降为12.2mm。
图7为在沉降最大处做横剖面绘制沉降槽线上图。从图中可以看出，仰挖施工与俯挖施工沉降槽基本一致，约为开挖导洞宽度的4倍，与实测拟合沉降槽是开挖导洞宽度的3倍相比略大。
分别选取换乘车站改造工程仰挖与俯挖施工换乘通道爬升段监测数据与数值分析进行比对，最大沉降发生位置与模拟接近，选取上方地表沉降最大测点与模型中对应沉降最大点进行沉降时程曲线比对分析。图8与图9分别为仰挖施工与俯挖施工监测时程曲线比对，从图中可以看出实测数据与模拟数据沉降差最大为仰挖施工的3.2mm，最终沉降差最大为0.7mm，时程曲线变形趋势有较好的契合，模拟数据相比实测数据拐点更明显，斜率更大。
通过对北京地铁58处仰挖施工工程分类统计、沉降分析和选取典型工点进行三维数值分析与实测数据比对，概括形成以下几点结论。
1)仰挖施工虽然存在较高风险，但受施工条件限制仍有较多应用，尤其以繁华主城区为主，同时因其应用于出入口、换乘通道等高度提升部位，74.1%的工程遇到覆土厚度小于开挖洞径的浅埋或超浅埋暗挖施工，93.1%是覆土为自稳能力较差的黏性土、砂性土，因此仰挖施工风险管控应成为重中之重。
2)拱部为砂性土时沉降点数量呈现正态分布，87.3%的测点沉降量在3～60mm之间，虽然小于正态分布±2σ(95.4%)的范围，但在实际运用中已经足够可信；拱部为黏性土时沉降点数量分布相对分散，59.2%的测点沉降量在3～30mm；拱部为卵石层时沉降点分布更加离散，但总体沉降量较小且无超过45mm情况。
3)拱部为黏性土与砂性土时沉降量与埋深基本呈反比例函数变化关系。沉降槽宽度黏性土≈砂性土＞卵石，黏性土与砂性土沉降槽宽度约为出入口或通道宽度的3倍，卵石沉降槽宽度与出入口或通道宽度接近。
4)通过分析仰挖与俯挖数值得出，仰挖施工最大沉降量比俯挖施工多大约75%，仰挖施工最大沉降发生于爬坡段约1/2处，而俯挖施工最大沉降更接近于埋深最小处。
5)通过与实测数据比对得出，采用摩尔库伦本构模型模拟土体、弹性体结构得出的结论与实测数据在趋势拟合性及关键节点变化方面有着较高的一致性，能够运用于类似工程数值分析，但同时需考虑工序衔接期间的变形时间效应和初支与土体协同变形的情况。
6)图3、图4散点图的拟合，主要反映在一定埋深条件下，沉降与埋深的变化规律。本文由于工程样本量有限，只能基于目前条件下拟合规律，客观反映了黏性土、砂性土在埋深增加的情况下，沉降减少，可见土拱效应明显。根据研究发现，在5～12m的浅层卵石层，受工程人工注浆加固等干扰影响，反而浅层沉降较小，反映了卵石层易扩散，注浆加固易隆起的地层特性。
参考文献
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